Kunststoffe in harschen Einsatzumgebungen

Zunehmende Einschränkungen in der Ressourcenverfügbarkeit und damit steigende Kosten führen zu Überlegungen, in den unterschiedlichsten Anwendungen bisher aus Metallen gefertigte Komponenten aus Kunststoff herzustellen. Beispiele sind lasttragende Bauteile im Motorraum, Körbe und Gehäusekomponenten in Spülmaschinen, Gehäuse und Laufräder auch für größere Gebläse in Klimatisierung und Verfahrenstechnik oder Behältnisse für Schmierstoffe. Bei Letzteren ist durch die Verwendung transparenter Kunststoffe gleichzeitig eine optische Füllstandskontrolle gegeben. Wegen der kostengünstigen massentauglichen Verarbeitungsmöglichkeiten sind hier vor allem thermoplastische Kunststoffe angedacht.

Durch die vermehrte Verwendung von Kunststoffen reduziert sich auch der Energiebedarf und damit der Treibhausgasausstoß entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Metallurgische Prozesse sind inhärent mit einem hohen Energiebedarf verbunden.

Beim Übergang von Metallen auf Kunststoffe wird man häufig mit der Herausforderung konfrontiert, dass die gegebenen Einsatzbedingungen wie hohe Temperaturen, mechanische Belastung und die Einwirkung von Medien die Kunststoffe an ihre Grenzen zu bringen scheinen. Vielfach gibt es kaum Daten zu den Beständigkeiten in der Literatur.

Für ausgewählte thermoplastischen Kunststoffen die Einsatzbandbreite ermitteln

Hier setzt das Verbundprojekt an. Ziel ist es, für ausgewählte Typen von thermoplastischen Kunststoffen die Einsatzbandbreite zu ermitteln. Damit sollen die Projektpartner in die Lage versetzt werden, für spezifische Anwendungsfälle sofort die Eignung von Kunststoffen bewerten zu können. Am LBF existiert die Ausrüstung zusammen mit entsprechender Praxiserfahrung zur Durchführung folgender Untersuchungen:

• Ofenalterung (thermische Belastung unter Luftatmosphäre)
• Heiß-nass-Szenario: Klimaschränke für bis zu 130 °C und 30 % Feuchte sowie Autoklav für 100 % Feuchte bis 140 °C
• Medieneinwirkung:
  • Öle, Fette
  • Tenside
  • Organische Lösungsmittel auch mit niedrigem Flammpunkt
  • Bewitterung mit Salzwasser
  • Konzentrierte Säuren und Laugen
• Wasserstoffatmosphäre
  • 150 °C bis 300 bar statisch
  • 150 °C bis 200 bar dynamisch
• UV-C-Bestrahlung (Desinfektionsanwendungen)

Alle Auslagerungen können auch unter statischer Biegelast durchgeführt werden.

Projektschwerpunkte & Vorgehensweise

Anwendungsszenarien identifizieren

Im Verbundprojekt gilt es, als erstes mit den Projektpartnern Anwendungsszenarios zu identifizieren, für die die Verwendung von Kunststoffen angestrebt wird, wie beispielsweise:

1. Temperaturen im Bereich von 150…250 °C.
2. Temperaturen wie 1. und dabei lasttragend.
3. Lasttragend und Einwirkung von Chemikalien. Hierbei ergeben sich Unterkategorien, wie wässrig-alkalisch oder wässrig-sauer mit entsprechenden Konzentrationsbereichen oder organisch (z.B. verschiedene Schmiermittel). Bei dieser Art von Belastung kommt es häufig zum Versagen des Bauteils nach Rissbildung (Spannungsriss-Korrosion, Environmental Stress Cracking (ESC)).

Kunststofftypen und Daten zusammenstellen

Für zwei bis drei konkrete Szenarios werden in einer Literaturrecherche die infrage kommenden Kunststofftypen und deren Daten zusammengestellt. Konzentriert werden soll sich zunächst auf verstärkte Hochleistungspolyamide, da diese für eine breite Spanne des Anforderungsbereichs „Temperatur-Mechanik“ potenziell infrage kommen. Zur Vervollständigung der Daten bzw. zur Ermittlung der Daten, die für die ausgewählten Szenarios vor allem relevant sind, werden die entsprechenden Auslagerungsversuche am LBF durchgeführt.

Projektpartner, die gern eigene Formmassen mit vertraulicher Behandlung der Resultate charakterisiert hätten, können dennoch von dem Verbundprojekt profitieren, da sich wegen der vollständigen Auslastung z.B. der Öfen die Bereitstellungskosten minimieren.

Alle durch die Projektpartner freigegebenen Ergebnisse werden mit dem Teilnehmerkreis erörtert und in einem Abschlussbericht festgehalten.